LED技術在汽車燈具中的應用

    摘要: 作為汽車行駛必不可少的安全部件，汽車燈具在汽車主動安全方面的作用至關重要。80 年代后期伴隨高亮度發(fā)光二級管技術的出現(xiàn)，LED 在汽車外部照明的應用成為可能。LED 可靠性強、使用壽命長、色純度高、響應速度快、體積小便于設計等優(yōu)點，使其在車外照明方面得到越來越普遍的應用。進入*一世紀，LED 車燈已經(jīng)成為汽車潮流的新寵，被廣泛應用于轉向燈、制動燈等信號燈具上，并應用于前照燈，實現(xiàn)了與AFS 系統(tǒng)的結合。

　　1 引言

　　1885 年，德國工程師卡爾·本茨(Karl. Benz)研制出世界第一臺汽油機為動力的三輪內(nèi)燃機車，汽車由此誕生并迅速發(fā)展起來。但是，要在夜間或照明不足的區(qū)域行駛，就必須有照明燈具，由此在十九世紀80 年代產(chǎn)生了第一盞汽車前照燈———老爺車懸掛式汽燈，并在1912 年出現(xiàn)了第一款電氣前照燈。早期汽車前照燈用的是鎢絲白熾燈，昏黃的燈光只適合速度較慢的汽車。在車輛日益增多、車速不斷提高的形勢下，汽車前照燈又發(fā)展為亮度更高的鹵鎢前照燈、高強度氣體放電前照燈，并出現(xiàn)近光燈、遠光燈、前霧燈等多個燈種。同時，照明僅是瞻前已經(jīng)不夠，還需左顧右盼和免除后顧之憂，由此誕生如制動燈、轉向燈、后霧燈等一系列燈種，為避免夜晚行車的追尾或轉彎時的相撞起了關鍵性作用。

　　作為汽車行駛必不可少的安全部件，汽車燈具在汽車主動安全方面的作用至關重要。據(jù)統(tǒng)計，夜晚或自然光線不足的情況下發(fā)生的交通事故占總事故的25% ，并且50% 的傷亡事故發(fā)生在夜間。在100 多個ECE 法規(guī)中，與車燈有關的法規(guī)就有近40個。我國目前汽車產(chǎn)品的70 多項強制性檢驗中，與車燈有關的項目就占了近25 個。

　　因此，為提高行車安全，越來越多的新技術被逐漸應用到汽車燈具中，如側轉向燈的光纖傳導技術、前照燈AFS 技術等。當然，這其中也包括發(fā)光二極管技術( Light Emitting Diode，簡稱LED) 在汽車燈具尤其是在汽車前照燈上的應用。近幾年的汽車設計中，LED 車燈的使用越來越多，給汽車外觀增加現(xiàn)代感的同時，也為更多人所熟悉，并引領當今汽車燈具發(fā)展的潮流和方向。

　　2 LED 技術在汽車燈具中的應用

　　LED 是一種場致發(fā)光光源，它是將電直接轉化為光能的半導體器件。LED 發(fā)光原理是在p-n 結兩端上加正向電壓，則p 區(qū)中空穴會流向n 區(qū); n 區(qū)的電子會流向p 區(qū)。隨著電子空穴對的復合放出能量，其中一部分能量轉化為熱，另一部分能量轉化為光。這種新一代固態(tài)冷光源于20 世紀60 年代問世，并在儀表、電信等信號指示上獲得初步應用，形成了LED 早期的應用市場， 但由于其光強度、光衰減等性能指標問題還無法在汽車燈具中獲得廣泛應用。

　　80 年代后期伴隨高亮度發(fā)光二級管技術的出現(xiàn)，LED 在車外照明信號的應用成為可能。典型標志性事件為: 1988 年Nissan 在280Z 汽車上首次使用STANLEY 生產(chǎn)的72 只AlGaAs 紅色高亮度LED作為汽車高位制動燈。從此，LED 正式進入汽車照明市場。

　　90 年代，LED 的材料開發(fā)不斷演進，Toshiba 和Hewlett-Packard 在1991 年共同開發(fā)出以磷化鋁鎵銦(InGaAlP) 制成的四元素高亮度LED。在技術上和批量生產(chǎn)上，為汽車燈具光源的LED 化鋪平了道路。

　　進入*一世紀，LED 技術突飛猛進，并逐漸取代白熾燈、真空熒光等傳統(tǒng)光源被廣泛組合應用到汽車儀表背光照明、操作開關、頂燈、閱讀燈、門鎖燈等車內(nèi)照明上。另外，LED 可靠性強、使用壽命長、色純度高、響應速度快、體積小便于設計等優(yōu)點得以突顯，在汽車外部照明方面也得到越來越普遍的應用。特別是最近幾年，LED 車燈被廣泛應用于轉向信號燈、制動燈、位置燈、倒車燈、霧燈、牌照燈等燈具上，已經(jīng)成為汽車潮流的新寵。

　　目前，80% 以上的歐系和日系汽車安裝了LED 高位制動燈。市場上幾大汽車領導廠商也不斷推出以LED 為光源的新型汽車， 像日系的Toyota、Mitsubishi、Honda、Nissan 等廠商推出的Teana、Crown、Reiz，美系通用汽車旗下的Cadillac、Buick，以及德系車廠的Mercedes-Benz、BMW、AUDI 等都已采用LED 尾燈，并逐漸形成了LED 汽車燈具的產(chǎn)業(yè)化。

　　伴隨LED 模塊技術的發(fā)展， 高亮度輸出LED模塊也成功面世， 如Lumileds 研制的白色LuxeonLED 模塊、OSRAM 的“OSTAR” 白色LED 模塊，使得LED 在汽車前照燈上的應用也成為可能，并引領了新一代前照燈技術的潮流。但由于高成本的限值，目前的LED 前照燈主要應用在高級豪華車輛上。2004 年， Audi A8 6. 0L 豪華車第一次使用Lumileds 的6 個白色Luxeon LED 作為日間行車燈。

　　2007 年，日本豐田汽車推出了Lexus 頂級混合動力車“LS600h”和“LS600hL”，成為全球首次配備使用全白光Nichia LED 前照燈的量產(chǎn)車( 見圖1)。

圖1 Audi A8 日間行車燈( 左) 及豐田全白光Nichia LED 前照燈( 右)[!--empirenews.page--]

　　3 LED 汽車燈具的優(yōu)勢

　　3. 1 節(jié)能環(huán)保

　　發(fā)光效能上， 隨著近年LED 材料結構學的進展，LED 的發(fā)光效率也飛速提高。前照燈應用方面，2009 年， 白光LED 的發(fā)光效能也已達到70lm /W ( 見圖2 )。而且LED 燈具將絕大部分的能量轉化為光能，作為熱量損失掉的僅是一小部分。據(jù)估計， 用LED 取代鹵素燈能提升整車的mpg 指標( 每加侖燃油的行駛英里數(shù)) 約0. 25。到歐洲實施白天必須開燈行駛的法規(guī)之時， 更可把mpg 提升約0. 5?？梢?，LED 燈具對整車燃油經(jīng)濟性的改善將會有很大的貢獻。

圖2 LED 發(fā)光效率發(fā)展趨勢( 左) 及與傳統(tǒng)光源效率比較( 右)

　　3. 2 前照燈光色辨別

　　目前路標幾乎都采用被動輝光的反射方式，而現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)出來光譜接近于日光的LED ( 見圖3)，這使得它發(fā)出的光被物體( 如道路交通的指示標牌等) 反射的有效性要高于其他光源，從而讓司機能在較遠的距離盡早發(fā)現(xiàn)，提高行車安全，也有助于司機在夜間像白天那樣方便地發(fā)現(xiàn)并看清交通標志。

圖3 白熾燈(A)、HID (D2 /D4)、白色LED 及日光光譜(D65)

　　3. 3 前照燈防眩

　　白色LED 光源色溫在5500K ～ 6000K， 因此白色LED 光源比氙氣光源( 4000K) 更接近自然光(4800K ～ 6000K)。這樣的光線使得駕駛者不會因光線而感到疲勞，而是感到十分舒適。

　　研究表明，高強度氣體放電燈的短波階段( －450nm) ，對人眼造成的眩目效應較為顯著。在進行HID 燈具的光學設計時，需要將光譜中最藍的部份推移至其射點光斑的邊緣，因為這些區(qū)域是本車司機眼睛通常不去注意的地方，從而減少該色光對人眼的不適干擾。但對于迎面駛來的會車司機，在車輛越過該邊際區(qū)域時藍光仍會引起對方眩目進而影響會車安全。有鑒于此，在防眩目方面，燈具設計上應盡量減少450nm 以下波段的光，增加450nm ～510nm 波段的光，以減少不舒適感，并提高邊緣區(qū)域的視覺。因此，LED 前照燈既能保護本車司機的舒適視覺，也不會引起鄰車或會車司機的視障。

　　3. 4 響應時間短

　　此外LED 的響應時間短，比普通燈泡響應時間一般要快200 ～ 300ms ( 見圖4)。應用于高位制動燈或轉向信號燈上，這點時間在高速公路上可以為司機贏得6. 7m 的制動距離( 按車速120km / h 計算) ，可以減少很多事故的發(fā)生。

圖4 LED 與傳統(tǒng)光源點亮相應時間對比

　　3. 5 其他優(yōu)點

　　LED 光源比起其他傳統(tǒng)光源，使用壽命明顯要長，維護少， 抗震性能強， 總發(fā)熱量少， 不含Hg等元素，對環(huán)境污染小; 另外，LED 體積小，一個燈具可同時使用幾個LED 模塊，使燈具的光學設計更為自由化，這種優(yōu)勢在概念車上的應用尤為突出。

　　而且LED 技術兼容數(shù)字化，可整合進數(shù)字網(wǎng)絡，促進照明的電子控制。[!--empirenews.page--]

　　4 LED 汽車燈具的技術難題

　　LED 汽車燈具的應用技術，在信號燈方面已趨于成熟，目前的困難集中在前照燈技術瓶頸的突破，表現(xiàn)在以下幾個方面:

　　4. 1 散熱

　　高亮LED 的亮度維持，最難解決的一個難題是散熱問題。因為LED 晶粒只要遇到高溫，發(fā)光效率就會衰減甚至損壞( 參見圖5 )。雖然低能耗LED 器件的發(fā)熱量比鹵素燈具或HID 燈具要少得多，但后者大部分熱量是產(chǎn)生于燈具裝置之外，而LED 產(chǎn)生的熱量卻是捂在微小的硅片里面來傳導的。這樣，將較小的熱量集中到芯片大小的器件上傳導和發(fā)散，因裝置的熱容量小也會引起LED 溫度的驟升。LED 的工作溫度必須保持在150℃ 以下的范圍，一般建議LED 工作溫度是在80℃ 以下。因此，如何通過高效率的散熱技術，讓LED 車燈順利工作，成為LED 車燈設計面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

　　一種解決方案是: 在一個燈具中使用數(shù)目較多的LED 發(fā)光元件，讓單件的發(fā)熱量較小，再把它們布置在較大的空間內(nèi)使其易于散熱。這就是小糸車燈為豐田的凌志LS600h 配套前照燈時所采用的手法。而法雷奧則采用熱管理策略: 為LED 燈具設定了一種工作模式，當燈具的溫度升到預定警戒值時，自動切換到削減燈具供電功率20% 的安保模式。這種程度的供電功率降低對燈光的亮度影響甚微，但卻能顯著地壓制住發(fā)熱水平。另外，在散熱方式研究領域，甚至出現(xiàn)氣流制冷和液體制冷等方式。

圖5 LED 發(fā)光性能與結溫、環(huán)境溫度的關系

　　4. 2 亮度輸出

　　研究指出，要達到較好的前照燈照明條件，最好的情況是近光光通量為1100lm 左右( 發(fā)光面為3500 cm2、出射擴散角為45°) ，亮度為90cd /m2。

　　可以使用多個LED 組合以滿足1100lm 的光通量要求，但在亮度方面，單個普通LED 光源的仍顯不足( 見圖6)。單點不夠亮就難以達成下述目標: 削減構成組合燈具的LED 光源數(shù)目，有助于縮小汽車燈具占用的空間且易于靈活布置，并可簡化照明系統(tǒng)的布線和安裝，降低生產(chǎn)成本。

　　4. 3 價格

　　LED 燈具在中國市場發(fā)展的主要阻力是成本問題。LED 芯片生產(chǎn)技術難度大、門檻高，養(yǎng)晶過程的溫度、濕度、供電及除塵要求十分嚴格，初期需要投入巨資建廠。目前LED 芯片的主要產(chǎn)地為中國臺灣，占有LED 市場的47%。中國大陸的LED 廠多為樹脂封裝加工，芯片需要大量進口，是成本高的原因。

圖6 LED 與傳統(tǒng)光源亮度輸出對比[!--empirenews.page--]

　　5 LED 汽車燈具的發(fā)展前景

　　5. 1 亮度輸出

　　近年來，高亮度LED 技術發(fā)展迅猛。截至2008年，歐司朗光電半導體公司推出新款OSTARHeadlamp LED，OSTAR Headlamp LED 產(chǎn)生的光通量，依照串聯(lián)的芯片數(shù)量而定， 介于700mA 時的125 lm ( 單芯片) 與1A 時的1000 lm ( 五芯片) 之間，可達到前照燈需要的亮度要求。高精度的工程設計、內(nèi)置光閘功能、最佳的芯片安裝和封裝設計，讓OSTAR Headlamp LED 具有全新的亮度數(shù)據(jù)和精確的燈光明暗截止線，適用于所有前照燈設計( 見圖7)。

　　奧迪R8 采用的即是由Lumileds 和Osram 公司提供OSTAR Headlamp LED。其LED 頭燈具有全面的功能性，包括近光、遠光、日間行駛燈、前轉向信號燈及前位燈均為LED ( 見圖8)。每個頭燈組使用54 個LED 光源，能耗低是其一大特色: 近光照明僅耗50 瓦，日間行駛照明僅耗6 瓦。

圖7 OSTAR Headlamp LED，擁有全新的亮度數(shù)據(jù)和精確的燈光明暗截止線

圖8 AUDI R8 全LED 前大燈

　　這種LED 新光源使得汽車燈具的風格設計和造型布置具有空前的靈活性，且LED 光輸出功率密度在技術上已能夠與HID 燈具匹敵。因此一旦能降低成本并在技術上實現(xiàn)量產(chǎn)，它極有希望把現(xiàn)存的其他照明技術淘汰出局而獨霸車燈市場。

　　5. 2 法規(guī)支持

　　LED 在前照燈中的信號燈功能使用已經(jīng)在ECE或SAE 法規(guī)國獲得批準。不僅如此，針對汽車燈具照明，歐洲、美國和日本等發(fā)達國家希望從立法上規(guī)定，照明角度設計的調(diào)整，能改善汽車轉彎時所造成的照明死角或路面反射不足的問題，以達到最佳照明效益，并降低交通事故發(fā)生率。這就是AFS系統(tǒng)( 主動式前照燈照明系統(tǒng))。2009 年7 月，我國也開始提出AFS 照明系統(tǒng)的標準制定征求意見稿，估計近兩年內(nèi)即可出臺。

　　5. 3 LED 與AFS 系統(tǒng)

　　LED 前照燈與AFS 系統(tǒng)的結合，具有傳統(tǒng)光源無法比擬的一些優(yōu)點。LED 前照燈能利用光點陣列來組合出前照燈的主動式照明功能，實現(xiàn)光照射方向隨轉向角度而變化的主動安保功能，而無需采用任何運動部件。這種主動式前照燈照明系統(tǒng)，有可能需要采用比以往所用過的數(shù)量更多的光管來構成點陣。照明系統(tǒng)的這種變化也符合并體現(xiàn)了當代汽車的機械裝置功能逐漸被全電裝系統(tǒng)所取代的大趨勢。

　　同一組LED 陣列既可以作為前照燈的光源，也可同時用于轉向燈，只是在發(fā)揮不同照明功能時采用各自的光學鏡罩。作為一般的轉向燈，只須在車身兩側布置LED 陣列，再加上簡單的開關功能即可。而要發(fā)揮智能前照燈的主動安保作用，讓前照光束隨車輛的轉向軌跡總是同步地照亮車前的道路，則需要布置較多的光源點陣并采取更復雜的光點電控，按照轉向輸入來控制光點陣列的明暗組合及其反光鏡，從而同步地改變前照燈光束的射向，實現(xiàn)車輛轉彎過程中的盲點照明( 見圖9)。

圖9 傳統(tǒng)前照燈( 左) 與AFS 前照燈( 右) 彎道盲點照明效果

　　這種與AFS 技術的結合優(yōu)勢，將使LED 在車輛照明領域取代其他傳統(tǒng)光源，成為歷史的必然選擇。

　　5. 4 市場總值

　　隨著LED 技術持續(xù)進步，車廠愿意導入的意愿也逐漸提升， 根據(jù)美國研究機構SU 資料顯示，2007 年全球車用LED 產(chǎn)值約7 億美元，未來隨著車廠導入LED 車燈的比例提升，預估至2010 年產(chǎn)值將突破10 億美元規(guī)模。而在汽車前照燈應用領域，預計到2012 年，LED 前照燈市場將達到8000 萬美元。

　　6 結語

　　自上世紀80 年代起，LED 憑借可靠性強、使用壽命長、色純度高、響應速度快、體積小便于設計等優(yōu)點，在汽車外部照明領域得到越來越廣泛的應用。進入*一世紀后，LED 技術發(fā)展迅猛，尤其是近幾年在光輸出及散熱方面的一些突破，使LED得以應用于前照燈，并與AFS 系統(tǒng)結合，成為汽車潮流發(fā)展的新寵。這種發(fā)展，在汽車時尚設計、提高主動安全方面都具有非常重要的現(xiàn)實意義。